氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理——TRIZ試解

李正桐

氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理是TRIZ（發(fā)明問(wèn)題解決理論）40條創(chuàng)新原理的第29條。TRIZ對(duì)該原理的解釋是：“運(yùn)用空氣和液壓技術(shù)來(lái)替代普通系統(tǒng)元件或功能”。在該領(lǐng)域的多數(shù)應(yīng)用都與帕斯卡定律有關(guān)，也就是說(shuō)自17世紀(jì)帕斯卡定律問(wèn)世以來(lái)就具備了運(yùn)用氣壓和液壓機(jī)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，但由于技術(shù)、工藝、材料等方面的原因，只有到了近代其應(yīng)用才漸趨廣泛。

從傳遞壓強(qiáng)的意義上說(shuō)，氣體和液體是相同的。但也有區(qū)別，就是氣體可以壓縮，呈現(xiàn)彈性，而從工程的意義上說(shuō)，液體是不可壓縮的。不能說(shuō)孰優(yōu)孰劣，應(yīng)該說(shuō)各有各的用處。

人們運(yùn)用氣壓的早期嘗試之一是火炮，據(jù)考證，世界上最早的火炮出現(xiàn)在13世紀(jì)我國(guó)元朝。盡管早期的火炮工藝粗糙，氣密性很差，所用的材料也不能承受很大的膛壓，但它的射程和威力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此前的弓弩和拋石機(jī)。究其實(shí)質(zhì)，火炮的身管與炮彈的關(guān)系就相當(dāng)于蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的氣缸與活塞的關(guān)系，都是在一個(gè)可變?nèi)莘e的腔體內(nèi)注入氣壓，使其膨脹做功。在這里爆燃?xì)怏w的推動(dòng)作用代替了此前的機(jī)械部件（例如弓弦）的推動(dòng)。

用于救援的大型氣墊給人留下深刻的印象。從高層建筑上落下的人，在氣墊上得到緩沖，氣墊吸收了他攜帶的巨大動(dòng)能并將他穩(wěn)穩(wěn)托住。這種氣墊的小型化就是汽車的安全氣囊，發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)安全氣囊迅速充氣脹滿，有效緩解了遇險(xiǎn)人員的危險(xiǎn)沖力。是不是這類氣囊一定要用超高強(qiáng)度的特殊材料制成呢？不一定。帕斯卡定律決定了氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)處處相等，由于負(fù)荷是由它的全部表面積均勻承擔(dān)的，所以只要表面積足夠大，普通的成膜材料就可以負(fù)重。例如我們常用的購(gòu)物袋的塑料膜，當(dāng)它的表面積達(dá)到250m2時(shí)（10m見方，1.25m高），充氣后就可以托起20噸重的卡車。當(dāng)然作為一種安全或起重設(shè)施，給出足夠的安全系數(shù)仍是必要的。由此看來(lái)，有些不老實(shí)的人踩在兩個(gè)氣球上做幾個(gè)動(dòng)作硬說(shuō)這是“輕功”，那純屬騙人。表演者的體重并沒變輕，氣球的橡膠膜承受的壓強(qiáng)根本就沒超過(guò)它的極限強(qiáng)度，只需注意接觸面平整干凈，踩上去時(shí)動(dòng)作輕緩，任何人踩上去都不會(huì)爆裂。順便說(shuō)一句，自古至今，這類自稱輕功的表演只能借助參照物，沒有一例敢在體重秤上演示。

類似的充氣結(jié)構(gòu)還有很多。例如1888年誕生的充氣輪胎。很難想象，若沒有充氣輪胎汽車還能否跑出今天的速度？自行車還能否這樣輕巧？飛機(jī)的起落架會(huì)以何種方式解決？此外，充氣的橡皮筏、救生圈、種類繁多的充氣玩具、充氣泳池都是充氣原理的成功應(yīng)用。尤其值得一提的是大型充氣場(chǎng)館。以往提起大面積場(chǎng)館，如體育場(chǎng)館、會(huì)場(chǎng)、展廳等，我們會(huì)很自然地聯(lián)想到桁架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)或懸索結(jié)構(gòu)，然而上世紀(jì)中葉誕生的一種充氣場(chǎng)館卻別出心裁，它完全不用承重構(gòu)件，只用空氣。這種場(chǎng)館多系臨時(shí)建筑，用涂膠的防水布做成，頂部呈長(zhǎng)拱形，像個(gè)巨大的面包。為了保持內(nèi)壓，能密封的部位盡量密封，考慮到總得有人進(jìn)出以及內(nèi)部空氣總得更新，用一臺(tái)風(fēng)機(jī)把外界的空氣鼓進(jìn)去，在使用期間風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使內(nèi)部保持適度的正壓。實(shí)踐證明，要保持它的穹頂鼓脹不變形，并不需要很大的風(fēng)壓和風(fēng)量。這種充氣結(jié)構(gòu)裝、拆、運(yùn)都很便捷。

帕斯卡定律的最直接應(yīng)用莫過(guò)于液（水，油）壓機(jī)。以往為了取得較大的作用力總得借助杠桿、滑輪、螺旋等剛性機(jī)械，而在液壓機(jī)中給出巨大作用力的卻是非剛性的液體工質(zhì)。這種液壓系統(tǒng)從上萬(wàn)噸的水壓機(jī)到攜帶方便的千斤頂，都可以給出驚人的力度。曾經(jīng)一度起重、掘土等工程機(jī)械都是靠滑輪—鋼絲繩系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)大負(fù)荷，自上世紀(jì)中葉起陸續(xù)改為利用液壓組件，不但出力大、結(jié)構(gòu)緊湊，而且較前者更為機(jī)動(dòng)靈活。

眾所周知，作為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的無(wú)級(jí)變速器顯然要比定比變速器復(fù)雜些，如錐盤式、行星式、針輪擺線式等，它們都是靠剛性零部件來(lái)傳遞功率，如鏈、鋼帶等。有一種液力自動(dòng)變速器卻是與眾不同，它是靠液流來(lái)傳遞功率的。液流由泵輪產(chǎn)生，通過(guò)導(dǎo)輪的控制推動(dòng)渦輪，實(shí)現(xiàn)功率傳輸和變速。與其它機(jī)械變速器一樣具有恒功率特性，為方便駕駛調(diào)速提供了一種新的模式。

“滴水穿石、柔能克剛”。我們祖先很早就對(duì)氣體液體的非剛性作用有了深刻的認(rèn)識(shí)。在我們的設(shè)計(jì)工作中適當(dāng)引入氣壓或液壓機(jī)制，有時(shí)能取得事半功倍的效果。至于何時(shí)適用氣壓，何時(shí)適用液壓，還需根據(jù)具體情況審慎抉擇。